基于機(jī)器視覺的甘蔗段分選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

譚浩 林芝 鄭英模 陳鵬起

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031)お

摘要 甘蔗在我國糖料作物中有著重要的地位，針對(duì)目前甘蔗種植的現(xiàn)狀及存在的弊端，設(shè)計(jì)出了基于機(jī)器視覺的甘蔗段分選系統(tǒng)，圖像采集裝置對(duì)長60 mm的甘蔗段進(jìn)行圖像采集，通過對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像邊緣檢測等處理，得到甘蔗段的邊緣灰度圖像，再根據(jù)邊緣灰度圖像的紋理特征統(tǒng)計(jì)值判斷出甘蔗段是否有莖節(jié)，同時(shí)通過串口通信向分選裝置發(fā)送信號(hào)，分選裝置根據(jù)接收到的信號(hào)對(duì)甘蔗段進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有無莖節(jié)甘蔗段的分選。試驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可行性，探索了一種新的甘蔗段分選系統(tǒng)，對(duì)甘蔗種植業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺；圖像采集；串口通信；分選

中圖分類號(hào) SB126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào) 0517-6611（2014）19-06462-03お

Design of Sugarcane Visual Separation System Based on Machine Vision

TAN Hao et al(School of Institute, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031)

AbstractSugarcane has an important position in sugar crops in China, in view of the present status and problems of sugarcane planting, the sugarcane stage separation system was designed based on machine vision. Image acquisition was conducted on the 60 mm length of sugarcane. Image enhancement, image processing such as edge detection was conducted on the acquired image to get an edge of the gray image of cane, and then according to the edge of gray image texture feature statistics tell cane section of the stem section, at the same time, through a serial port communication sends a signal to the sorting device, separating device according to the received signal to distinguish between sugarcane segment, realized with presence of internodes of sugarcane sorting. Experiment proves the feasibility of the design, this thesis explores a new sugarcane stage separation system, which will play an important role in the development of sugar cane plantations.

Key wordsMachine vision; Image acquisition; The serial communication; Sorting

基金項(xiàng)目 國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310307069)。

ぷ髡嘸蚪 譚浩（1993- ），男，吉林四平人，本科生,專業(yè):電子信息科學(xué)與技術(shù)。

收稿日期 20140604

甘蔗是我國最重要的糖料作物，主要分布在云南、福建、海南、廣西及廣東等省區(qū)，其種植面積占我國常年糖料種植面積的85%以上，產(chǎn)糖量占全國食糖總產(chǎn)的90%以上［1-5］。甘蔗是一種宿根作物,1年收獲1次, 普遍留宿根1~2年后因產(chǎn)量急劇下降而淘汰。因此，不少國營農(nóng)場和種植專業(yè)戶新植面積逐年提高, 有些新植面積比例甚至高達(dá)60%。甘蔗種植屬于勞動(dòng)密集型工序,人工種植工效低, 勞動(dòng)強(qiáng)度大且很不經(jīng)濟(jì)。因此，甘蔗種植機(jī)械化顯得越來越必要而迫切［6-7］。目前，世界主要產(chǎn)糖國如澳大利亞、巴西、古巴等已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化種植，所用的種植機(jī)主要有整稈式、實(shí)時(shí)切種式和預(yù)切種式3種。整稈式甘蔗種植機(jī)將蔗種整稈地?cái)[放在由開溝器開出的溝內(nèi)；實(shí)時(shí)切種式種植作業(yè)機(jī)作業(yè)時(shí)，整稈蔗種被喂入切種器，切成甘蔗段后擺放在開出的溝內(nèi)；預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)采用預(yù)先切好的甘蔗段，喂入擺種機(jī)構(gòu)將蔗段擺放在溝內(nèi)［8］。無論哪種種植方式，在種植過程中都使用大量的勞動(dòng)力，同時(shí)，將沒有莖節(jié)的甘蔗段埋入土中，造成資源的浪費(fèi)。我國從20世紀(jì)70年代開始研制甘蔗種植機(jī)，所研制機(jī)型都是實(shí)時(shí)切種式［8］，上述切種式種植的弊端依然存在。為減少勞動(dòng)力使用,合理利用資源，需設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)可智能識(shí)別莖節(jié)，并自動(dòng)分選出有莖節(jié)甘蔗段和無莖節(jié)甘蔗段，將有效蔗種片段用于播種，無效蔗段回收用作榨糖。因此，甘蔗段視覺分選系統(tǒng)的研究對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械化發(fā)展有重要意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由切段裝置、圖像采集裝置、分選裝置和傳送裝置（圖1）組成。切段裝置對(duì)喂入的甘蔗進(jìn)行切段，甘蔗段的長度在60mm左右。切好的甘蔗段從切段裝置出口進(jìn)入傳送裝置入口。圖像采集裝置中有1個(gè)USB相機(jī)，對(duì)傳送帶上的甘蔗段進(jìn)行圖像采集，同時(shí)對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，識(shí)別出甘蔗段是否有莖節(jié)，并向分選裝置中的單片機(jī)發(fā)送信號(hào)。分選裝置由單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)分選板達(dá)到分選甘蔗段的目的。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

1.1 切段裝置 切段裝置將從入口送入的長甘蔗切成甘蔗段，采用了對(duì)輥切段的方式，即切段裝置中對(duì)輥和切刀對(duì)輥之間設(shè)有供甘蔗通過的間隙，切刀設(shè)于對(duì)輥上，切刀將通過對(duì)輥的甘蔗切成甘蔗段。切段裝置包括外殼以及甘蔗傳送入口和甘蔗段出口，甘蔗段出口設(shè)于傳送裝置的入口處。

1.2 系統(tǒng)圖像采集裝置

系統(tǒng)圖像采集裝置長為330 mm、寬為330 mm、高為864 mm，兩條鋼管之間的距離為290 mm，與傳送裝置的寬度相符。相機(jī)固定在裝置中的升降桿上，可調(diào)節(jié)升降桿使相機(jī)與傳送帶之間的距離為合適的采集高度，升降桿調(diào)節(jié)的最大距離為30 cm。搭建的圖像采集裝置是在MATLAB 環(huán)境下開發(fā)的，采用easyvxin YX0612工業(yè)鏡頭和型號(hào)為U130M的CMOS相機(jī)［有效像素為1280H*1024V(1.3M)，采集的圖像為灰度圖像，格式為bmp］，并配合環(huán)形光源，進(jìn)行甘蔗段圖像的采集，采集的甘蔗段原始圖像如圖2、3所示。

圖2 有莖節(jié)甘蔗段

圖3 無莖節(jié)甘蔗段

1.3 系統(tǒng)分選裝置

系統(tǒng)分選裝置長為330 mm、寬為200 mm、高為710 mm，采用循環(huán)旋轉(zhuǎn)移推方法進(jìn)行分選。分選板長為400 mm、寬為100 mm，固定在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上，初始狀態(tài)與傳送帶保持平行。步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)器控制，單片機(jī)根據(jù)接收到MATLAB發(fā)送的信號(hào)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)接收到采集的圖像為無莖節(jié)甘蔗段的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，分選板將甘蔗段推送出去。當(dāng)接收到采集的圖像為有莖節(jié)甘蔗段的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)不發(fā)送脈沖，即步進(jìn)電機(jī)不做任何動(dòng)作，甘蔗段在傳送帶末端與其分離。

1.4 系統(tǒng)傳送裝置

系統(tǒng)傳送裝置為流水線皮帶輸送機(jī)，具有變頻調(diào)速和馬達(dá)調(diào)速功能?？筛鶕?jù)圖像采集和處理的速度調(diào)節(jié)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，保證圖像處理準(zhǔn)確的同時(shí)還具有較高的效率。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

相機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線與筆記本電腦相連，通過用MATLAB軟件編寫好的上位機(jī)軟件對(duì)相機(jī)進(jìn)行控制并采集甘蔗段圖像。步進(jìn)電機(jī)通過單片機(jī)進(jìn)行控制，MATLAB與單片機(jī)之間通過串口通信實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收，單片機(jī)根據(jù)接收到的不同的信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。圖4為系統(tǒng)整體的流程圖。

圖4 系統(tǒng)整體流程

2.1 上位機(jī)軟件界面

該上位機(jī)界面（圖5）可控制相機(jī)開始拍照和停止拍照，同時(shí)對(duì)采集到的甘蔗段圖像和處理后的圖像特征值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)特征值判斷出是否為有莖節(jié)的甘蔗段。

該上位機(jī)界面使用MATLAB軟件編寫，開始按鍵下的代碼是在while循環(huán)中調(diào)用MATLAB軟件中圖像獲取工具箱提供的函數(shù)對(duì)相機(jī)進(jìn)行控制，并通過圖像處理得到甘蔗段紋理特征統(tǒng)計(jì)值以及甘蔗段是否有莖節(jié)顯示在界面上。停止按鍵下的代碼是設(shè)置停止位變量（stopbit）為0，使得while循環(huán)停止，即相機(jī)停止拍照。

圖5 上位機(jī)界面

2.2 甘蔗段圖像預(yù)處理

2.2.1 圖像增強(qiáng)。

為了增強(qiáng)圖像各個(gè)部分之間的明暗對(duì)比度，利用灰度變換的手段增強(qiáng)圖像目標(biāo)與背景間的對(duì)比度，以便突出圖像的目標(biāo)部分。

灰度變換增強(qiáng)是在空間域內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)的一種簡單而有效的方法?；叶茸儞Q增強(qiáng)不改變原圖像中像素的位置，只改變像素點(diǎn)的灰度值，并逐點(diǎn)進(jìn)行，和周圍的其他像素點(diǎn)無關(guān)［9］。

2.2.2 圖像分割。

圖像分割是圖像處理、模式識(shí)別和人工智能等多個(gè)領(lǐng)域中一個(gè)十分重要且又十分困難的問題，是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)中首要的、重要的關(guān)鍵步驟，其中邊緣檢測是圖像分割中的的經(jīng)典研究課題之一［9］。圖像邊緣含有形狀、方向、階躍性等有價(jià)值的信息，通過它可以描畫出目標(biāo)物體的輪廓，它是圖像局部特征間斷性在視覺上的刺激。該研究采用高斯拉普拉斯（LOG）算子對(duì)甘蔗段圖像的邊緣進(jìn)行提取，得到甘蔗段的邊緣灰度圖像。

拉普拉斯(Laplacian)算子是一種不依賴于邊緣方向的二階微分算子，表達(dá)式為：

í2f=躬2f 箈2+躬2f 箉2オ

LOG算子是在經(jīng)典算子的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的邊緣檢測算子，根據(jù)信噪比求得檢測邊緣的最優(yōu)濾波器。首先采用Gaussian函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行平滑，然后采用Laplacian算子根據(jù)二階導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)來檢測圖像邊緣，稱為LOG算子。LOG算子有很多的優(yōu)點(diǎn)，如邊界定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)，連續(xù)性好等。圖6為采用LOG算子得到的甘蔗段邊緣灰度圖像，通過甘蔗段邊緣灰度圖像的紋理特征統(tǒng)計(jì)值，可區(qū)分甘蔗段是否有莖節(jié)。

2.3 串口通信

根據(jù)圖像處理判斷出甘蔗段是否有莖節(jié)，通過MATLAB與單片機(jī)之間的串口通信，向單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM脈

沖，使得驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)甘蔗段進(jìn)

圖6 有莖節(jié)甘蔗段邊緣灰度圖像

行分選。MATLAB與單片機(jī)之間的串口通信具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

用serial()函數(shù)為指定串口創(chuàng)建一個(gè)串口對(duì)象。調(diào)用格式為：obj=serial(‘port)。

對(duì)串口屬性進(jìn)行設(shè)置：

obj.BaudRate=9600; 設(shè)置波特率為9600

obj.Parity=none; 設(shè)置無奇偶校驗(yàn)

obj.DataBits=8; 設(shè)置傳送數(shù)據(jù)位數(shù)為8位

obj.StopBits=1; 設(shè)置數(shù)據(jù)傳送的停止位位數(shù)為1位

其他屬性采用默認(rèn)值。

用fopen()函數(shù)打開串口，連接串口對(duì)象到外圍設(shè)備。調(diào)用格式為：fopen(obj)。

用fwrite()函數(shù)寫二進(jìn)制數(shù)據(jù)到設(shè)備中。調(diào)用格式為：fwrite(obj,1)。

用fclose()函數(shù)斷開串口與設(shè)備的連接［10-12］。調(diào)用格式為：fclose(obj)。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，結(jié)合了圖像處理和串口通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甘蔗段的視覺分選，該系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①通過相機(jī)采集圖像并自動(dòng)識(shí)別出甘蔗段是否有莖節(jié)，并通過分選裝置進(jìn)行區(qū)分，減少了人力物力投入，提高了工作效率。②將無莖節(jié)的甘蔗段篩選出來，送往制糖工廠作為制糖的原料，大大地減少了資源的浪費(fèi)。

該系統(tǒng)可以有效地識(shí)別出甘蔗段是否有莖節(jié)并進(jìn)行區(qū)分，解決了農(nóng)業(yè)上運(yùn)送甘蔗勞動(dòng)力大和資源浪費(fèi)的問題，在甘蔗種植業(yè)中有著重要的作用，對(duì)推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械化發(fā)展有重要意義。

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